DE19803078B4 - Method and device for automatic web guidance of a ship with integrated web regulator - Google Patents

Method and device for automatic web guidance of a ship with integrated web regulator Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bahnführung eines Schiffes mit integriertem Bahnregler, bei dem die Bahn- und Regelvorgaben in einem Sollbahngenerator 31 spurpunktabhängig als φs = fi1(s), λs = fi2(s), Φs = fi3(s), Rs = fi4(s) und vs = fi5(s) kodiert werden, wobei der Spurpunktparameter s die Weglänge auf der Sollbahn, φs die zum Spurpunkt gehörende geografische Breite, λs die geografische Länge, Φs die Richtung der Sollbahntangente im Spurpunkt, R5 der Krümmungsradius am Spurpunkt und vs die dem Spurpunkt zugehörige Bahnlängsgeschwindigkeit darstellen, mit einem Regelgrößentransformator 36, der aus der Ist-Position (φist, λist) und dem Istkurs ψist des Schiffes sowie den Bahn- und Reglervorgaben den Spurpunkt s auf der Sollbahn nach der Vorschrift YB 2 = [φist – φs(s)]2 + [λist – λs(s)]2→ min berechnet und dass ein Sollwertgeber 34 die nichtlineare Führungsbahn in eine lineare Sollbahn umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die Messdaten im Regelgrößentransformator 36 durch Transformation in Polarkoordinaten und Filterung in die...Method for web guidance of a ship with integrated railroad controller, in which the orbital and control specifications in a setpoint track generator 31 are dependent on the track point as φ s = f i1 (s), λ s = f i2 (s), φ s = f i3 (s), R s = f i4 (s) and v s = f i5 (s) are coded, where the tracking point parameter s is the path length on the nominal trajectory, φ s is the geographical latitude associated with the trajectory point, λ s is the geographical longitude, Φ s is the direction of the nominal trajectory tangent in the track point, R 5 the radius of curvature at the trackpoint and v s representing the tracking point associated path longitudinal velocity, with a control variable transformer 36 (is φ, λ is) from the actual position and the Istkurs ψ is of the vessel as well as the rail and regulator requirements the track point s on the desired path according to the rule Y B 2 = [φ is - φ s (s)] 2 + [λ is - λ s (s)] 2 → min calculated and that a setpoint generator 34, the nonlinear track in a linear Target path converted, characterized in that on the one hand di e Measurement data in the controlled variable transformer 36 by transformation into polar coordinates and filtering in the ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Führung eines Schiffes auf vorgegebenen Bahnen, die diese mit Hilfe eines Sollbahngenerators 31 spurpunktabhängig nach der Vorschrift φs = fi1(s), λs = fi2(s), Φs = fi3(s), Rs = fi4(s), vs = fi5(s), i ∊ {1, 2, ..., n} codiert und auf einem Speichermedium abgelegt, wobei (φ, λ) die Position, Φ der Sollbahnwinkel, R der Drehradius und v die zu fahrende Bahngeschwindigkeit sind. Ein Regelgrößentransformator 36 berechnet aus den gemessenen Größen Schiffsposition (φist, λist), Kompasskurs Ψist, Kurswinkelgeschwindigkeit rist und Schiffsgeschwindigkeit vist = [vx, vy] die Regelgrößen Bahnabstand, Kurs, Kurswinkelgeschwindigkeit und Geschwindigkeit und schaltet diese auf die entsprechenden Teilregler des Bahnreglers 35. Diese Teilregler betreffen die Einzelregler für Bahnabstand 41, Kurs 42, Kurswinkelgeschwindigkeit 43 und Schiffslängsgeschwindigkeit 44, wobei 43 und 44 entfallen können. Weiterhin wird im Regelgrößentransformator 36 der Spurpunktparameter s der Sollbahnlinie berechnet, der auf einen Sollwertgeber geschaltet die Regelsollgrößen bestimmt. Die berechneten Regelgrößen des Regelgrößentransformators 36 gelangen ebenfalls auf einen Identifikator 37, der Schiffs- und Störmodell sowie die Reglerparameter in geeigneten Zeitabständen ermittelt und auf den Sollwertgeber 34 bzw. die Regler 35 schaltet.The invention relates to a method and a device for guiding a ship on predetermined tracks, this with the aid of a nominal path generator 31 track point-dependent according to the rule φ s = f i1 (s), λ s = f i2 (s), Φ s = f i3 (s), R s = f i4 (s), v s = f i5 (s), i Ε {1, 2, ..., n} coded and stored on a storage medium, wherein (φ, λ) the position, Φ the desired path angle, R the radius of rotation and v are the traveling web speed. A controlled variable transformer 36 calculated from the measured vessel position (is φ, λ is), compass heading Ψ is heading angle velocity r, and ship speed is v = [v x, v y] the controlled variables track distance, heading, course angle speed and speed and switches them to the corresponding part Regulators rail regulator 35 , These sub-controllers affect the individual controllers for track distance 41 , Course 42 , Course angle speed 43 and ship's longitudinal speed 44 , in which 43 and 44 can be omitted. Furthermore, in the controlled variable transformer 36 the track point parameter s of the setpoint rail line is calculated, which determines the setpoint of the control set to a setpoint generator. The calculated controlled variables of the controlled variable transformer 36 also get to an identifier 37 , the ship and fault model and the controller parameters determined at appropriate intervals and the setpoint generator 34 or the controller 35 on.

Bekannt sind Regeleinrichtungen, die Schiffe entlang vorgegebener Bahnabschnitte führen. Solche Bahnabschnitte sind i. d. R. als Geraden, Kreisbögen oder Manövertrajektorien ausgelegt. Damit werden in allen Fällen den gemessenen Schiffspositionen bestimmte Wegabschnitte zugeordnet. Das kann nur bei relativ geringen Abweichungen von der Sollbahn erfolgen, da sonst keine eindeutige Zuordnung möglich ist. Hier schafft die sogenannte Line of Sight (LOS) Regelung Abhilfe, bei der die mit Attributen belegten Wegpunkte nach Detektion mit einem um das Fahrzeug gelegten Erfassungs-Ring auf den nachfolgenden Wegpunkt der Liste umschalten, Fussen: Guidance and Control of Ocean Vehicles, John Wiley & Sons Ltd, 1994. Nachteilig für die Bahregelung wirken sich dabei sprunghafte Änderungen des Kursvorgabewinkels aus, die zu großen Abweichungen führen.Known are control devices, the ships along predetermined track sections to lead. Such track sections are i. d. R. as straight lines, circular arcs or Manövertrajektorien designed. Thus, in all cases, the measured ship positions assigned certain path sections. That can only be done at a relatively low level Deviations from the nominal path take place, since otherwise no clear Assignment possible is. Here, the so-called line of sight (LOS) regulation remedies, at which the attribute-based waypoints after detection with a detection ring placed around the vehicle on the following Switch waypoint of the list, Fussen: Guidance and Control of Ocean Vehicles, John Wiley & Sons Ltd, 1994. Disadvantageous for the gurney arrangement causes sudden changes in the course angle out, which leads to big deviations to lead.

Nach DE 41 10 249 A1 : Bahnregler für Schiffe, bei dem aus der gemessenen Schiffsposition die Ablage von der Sollbahn berechnet und als Regelabweichung auf einen Ablageregler gegeben wird, dessen Ausgangssignal an einem weiteren Vergleichspunkt mit einem Istkurs verglichen wird, wobei dem Vergleichspunkt für Soll- und Istkurs ein weiteres Signal zugeführt wird, das in Relation zum Schiebewinkel des Schiffes

Figure 00010001
steht, wobei vy die Geschwindigkeit des Schiffes in Quer- und vx die Geschwindigkeit des Schiffes in Längsrichtung ist. Einen ähnlichen Ansatz verfolgen Becker, DE 196 25 561 A1 , sowie Kriegsman und Leblang, US 005523951 A .To DE 41 10 249 A1 Railroad controller for ships, in which from the measured ship position, the shelf is calculated from the desired path and given as a control error on a storage controller, the output signal is compared at a further comparison point with an actual price, wherein the comparison point for target and actual price supplied another signal becomes, in relation to the sliding angle of the ship
Figure 00010001
where v y is the speed of the ship in transverse and v x the speed of the ship in the longitudinal direction. A similar approach is taken by Becker, DE 196 25 561 A1 , as well as Kriegsman and Leblang, US 005523951 A ,

Weiter lassen sich mit Hilfe von Bahntrajektorien beliebige krummlinige Sollbahnen vorgeben, beispielsweise für U-Boote, Thomas, Brindley, DE 38 82 138 T2 . Jedoch besteht hierbei ein wesentlicher Nachteil: Es müssen zunächst umfangreiche Optimierungsalgorithmen abgearbeitet werden, um einen Stellgrößenverlauf zu ermitteln, der einen gewünschten Bahnverlauf realisiert. Das kann umgangen werden, indem man eine bestimmte Manöverbibliothek zur Verfügung stellt, aber man kann dann nicht mehr jede beliebige Bahn vorgeben, z.B. Burns, Dove EP 0 179 595 A2 . Im freien Seeraum ist eine solche Strategie sicherlich ausreichend, vergl.: Holzhüter, T.: Struktur eines hochgenauen Bahnführungs-Systems für Schiffe, Tagungsmaterial Arbeitsgruppe B, 19. Internationale Tagung der Ingenieurhochschule für Seefahrt Warnemünde/Wustrow, 2.-3.11.1989, S. 86-96.Furthermore, trajectories can be used to specify arbitrary curvilinear nominal trajectories, for example for submarines, Thomas, Brindley, DE 38 82 138 T2 , However, there is a significant disadvantage here: First of all, extensive optimization algorithms have to be processed in order to determine a manipulated variable profile which realizes a desired trajectory. This can be circumvented by providing a specific maneuver library, but then you can not pretend any path, such as Burns, Dove EP 0 179 595 A2 , Such a strategy is certainly sufficient in the open sea area, compare: Holzhüter, T .: Structure of a highly accurate track guidance system for ships, meeting material Working Group B, 19th International Conference of the College of Marine Engineering Warnemünde / Wustrow, 2.-3.11.1989, Pp. 86-96.

Fährt ein Schiff (möglicherweise Spezialschiff) in sehr engen Fahrwassern mit sich stets ändernden Bahnwinkeln Φ und Krümmungsradien R, so ist es nicht oder nur sehr schwer möglich, entsprechende Steuergrößen zu berechnen. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.Drive in Ship (possibly Special vessel) in very narrow fairways with constantly changing orbital angles Φ and radii of curvature R, it is not or very difficult to calculate corresponding control variables. The invention aims to remedy this situation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung mit einem Bahnregler für Schiffe zu schaffen, der auch bei sich städig ändernden Bahnwinkeln und -krümmungen eine ausreichende Regelgenauigkeit erreicht und die Stabilität der Regelung auch bei starken Wind- und Strömungseinflüssen gewährleistet.Of the Invention is based on the object, a method and a device with a web controller for Ships to create, even with urban changing track angles and curvatures achieved sufficient control accuracy and stability of the scheme guaranteed even with strong wind and current influences.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1–3.These The object is achieved by the features of the claims 1-3.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird durch einen Sollbahngenerator 31 eine Bahnvorgabe mit einer endlichen Menge n von Bahnabschnitten in Form von Kreisbögen oder geraden Strecken erzeugt und die entsprechenden Bahnparameter Position (φs, λs), Bahnwinkel Φ5, Krümmungsradius R5 sowie Fahrgeschwindigkeit vs spurpunktabhängig codiert: φs = fi1(s), λs = fi2(s), Φs = fi3(s), Rs = fi4(s), vs = fi5(s); i ∊ {1...n} (1) In the device according to the invention by a desired path generator 31 a train specification with a finite amount n of track sections in the form of circular arcs or straight sections generated and the corresponding orbital parameters position (φ s , λ s ), orbit angle Φ 5 , radius of curvature R 5 and speed v s spurpunktabhängig encoded: φ s = f i1 (s), λ s = f i2 (s), Φ s = f i3 (s), R s = f i4 (s), v s = f i5 (S); i ε {1 ... n} (1)

Ein so generierter Bahnabschnitt kann beliebig klein gewählt werden, wodurch sich praktisch jede Bahnvorgabe realisieren läßt, mit den Besonderheiten, daß der Krümmungsradius eine untere Schranke aufgrund der Schiffsdynamik besitzt und ein gerader Bahnabschnitt den Krümmungsradius unendlich aufweist. Diese Sollbahncodierung gelangt neben den Sensorgrößen Geschwindigkeit vist, DGPS-Position (φist, λist) (oder in der Genauigkeit vergleichbare Position), Kreiselkurs ψist und Kurswinkelgeschwindigkeit rist in einen Regelgrößentransformator 36. Im Regelgrößentransformator wird aus Position und Kreiselkurs zunächst der Spurpunktparameter s(φist, λist) auf der Sollbahn ermittelt. Dieser wird auf einen Sollwertgeber 34 geschaltet.Such a generated path section can be chosen arbitrarily small, which can be virtually any rail specification to implement, with the special features that the radius of curvature has a lower bound due to the ship's dynamics and a straight track section has the radius of curvature infinity. This setpoint coding comes next to the sensor quantities speed v ist , DGPS position (φ is , λ is ) (or position comparable in accuracy), rotary rate ψ is and heading angular velocity r is in a controlled variable transformer 36 , In the controlled variable transformer, the track point parameter s (φ ist , λ ist ) on the desired path is first determined from the position and the rotary course. This is set to a setpoint generator 34 connected.

Der Spurpunkt stellt den Punkt der Sollbahn mit dem minimalen Abstand zur gemessenen Position dar, siehe 1. Er wird ermittelt aus der Nullstelle der 1. Ableitung der quadrierten Abstandsfunktion: YB 2 = [φist – φs(s)]2 + [λist – λs(s)]2 → min (2) The tracking point represents the point of the nominal trajectory with the minimum distance to the measured position, see 1 , It is determined from the zero of the first derivative of the squared distance function: Y B 2 = [φ is - φ s (S)] 2 + [λ is - λ s (S)] 2 → min (2)

Im Falle von Mehrdeutigkeiten, z.B. bei Wendeschleifen, wird mit Hilfe des Kurses ψist und des vergangenen Spurpunktes salt eine eindeutige Zuordnung erreicht. Parallel zur Spurpunktberechnung werden die Meßgrößen im Regelgrößentransformator 36 gefiltert, die Regelgröße Bahnabstand YBist, aus der gemessenen Position erzeugt und auf den Bahnregler 35 geschaltet.In the case of ambiguities, eg in turning loops, an unambiguous assignment is achieved with the help of the course ψ ist and the past trace point s alt . Parallel to the tracking point calculation, the measured variables are in the controlled variable transformer 36 Filtered, the controlled variable path distance Y Bist , generated from the measured position and on the web controller 35 connected.

Der für die erfindungsgemäße Einrichtung verwendete Sollwertgeber 34 setzt die spurpunktabhängigen Sollbahngrößen in zeitabhängige Reglersollwerte unter Nutzung des aktuellen Spurpunkteparameters s aus dem Regelgrößentransformator 36 mit Hilfe der aktuellen Schiffsmodell-, Regler- und Störmodellparameter aus dem Identifikator 37 um.The setpoint generator used for the inventive device 34 sets the track point-dependent setpoint path variables in time-dependent controller setpoint values using the current tracking point parameter s from the controlled variable transformer 36 using the current ship model, controller and fault model parameters from the identifier 37 around.

Der um die modell- und geschwindigkeitsabhängige Vorhaltestrecke 1 korrigierte Spurpunktparameter s* wählt aus der Sollgrößendatenbank die aktuellen Sollbahngrößen aus. Aus der Sollgeschwindigkeit vsoll(s) und dem Drehradius Rsoll(s) wird im Wandlerblock 53 die Zwischengröße der Solldrehrate r(s*) errechnet und um den Faktor der Abweichung der Istgeschwindigkeit von der Sollgeschwindigkeit korrigiert. Die Vorhaltestrecke 1 ist dabei die Distanz vom Ort des Ruderlegens bis zum Schnittpunkt der Anfangskurslinie mit der Manbvertrajektorie des Schiffsmodells.The about the model and speed-dependent Vorhaltestrecke 1 corrected lane point parameter s * selects from the setpoint database the current setpoint lane sizes. From the desired speed v soll (s) and the radius of rotation R soll (s) is in the converter block 53 the intermediate size of the target rotational rate r (s *) is calculated and corrected by the factor of the deviation of the actual speed from the target speed. The Vorhaltestrecke 1 is the distance from the place of rudder laying to the intersection of the starting line with the Manbvertrajektorie of the ship model.

Figure 00020001
Figure 00020001

Durch einen Vergleich des Integrals der Vorgabedrehrate rsoll(s) mit dem Sollbahnwinkel Φsoll(s) wird im Wandler für Reglersollgrößen 53 ein vorzeichenrichtiger Drehratenimpuls erzeugt, der an die Dynamik der Rudermaschine angepaßt ist. Gleichzeitig wird der Drehratenreglersollwert rsoll(t) einem Vorfilter 54 für die Erzeugung des Kursreglersollwertes ψsoll(t) zugeführt, welches erfindungsgemäß dem Ausgangssignal des Systems mit der Übertragungsfunktion aus der Einheit von Drehratenregler Gr(p) und Schiffsmodell Fr(p) mit der Laplace-Variablen p entspricht:

Figure 00020002
By comparing the integral of the default rotation rate r soll (s) with the setpoint path angle φ soll (s) is used in the converter for controller setpoint variables 53 generates a sign-correct angular rate pulse, which is adapted to the dynamics of the steering machine. At the same time, the rotation rate controller setpoint r soll (t) becomes a pre-filter 54 for the generation of the course controller setpoint ψ soll (t), which according to the invention corresponds to the output signal of the system with the transfer function from the unit of rotation rate controller G r (p) and ship model F r (p) with the Laplace variable p:
Figure 00020002

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Bahnregler 41 und der Kursregler 42 während der Drehratenregelung nicht abgeschaltet werden muß oder nicht gegen den Drehratenregler 43 arbeitet. Gleichzeitig wird dem Kursreglersollwert ψsoll(t) über ein Vorfilter 56 ein Korrekturkurs ψkorr(t) aufgeschaltet, der aus dem Driftvektor, erzeugt durch Strömung und Windeinfluß, bestimmt wird.The advantage of the invention is that the web controller 41 and the course controller 42 during the rotation rate control does not have to be switched off or not against the rotation rate controller 43 is working. At the same time, the course controller setpoint ψ soll (t) is set via a prefilter 56 a correction course ψ korr (t) is set, which is determined from the drift vector generated by flow and wind influence.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be explained in more detail in an embodiment. It demonstrate:

1: Prinzipskizze zur Bestimmung des Spurpunktes und der Bahnabweichung 1 : Schematic diagram for determining the track point and the path deviation

2: Vektordreiecke zur Ermittlung der Driftkorrektur

  • a) Ermittlung der Drift (passives Stromdreieck)
  • b) Kompensation der Drift (aktives Stromdreieck)
2 : Vector triangles for determining the drift correction
  • a) Determination of drift (passive current triangle)
  • b) compensation of drift (active current triangle)

3: Strukturbild der Bahnführungseinrichtung 3 : Structure picture of the web guiding device

4: Innere Struktur des Bahnreglers, ausgeführt als Kaskadenregler 4 : Inner structure of the orbital regulator, engineered as a cascade regulator

5: Funktionsbild des Sollwertgebers 34 5 : Function diagram of the setpoint generator 34

In 3 ist die Einrichtung dargestellt, die das erfindungsgemäße Verfahren realisiert mit den Blöcken Sollbahngenerator 31, Sollwertgeber 34, Bahnregler 35, Regelgrößentransformator 36 und Identifikator 37. Der Sollbahngenerator 31 stellt die Schnittstelle zum Bedienpersonal dar, er wandelt Bahnvorgaben in die Codes nach Gleichung 1 um und legt sie in einer Datenbasis 51 zum Zugriff für den Sollwertgeber 34 und Regelgrößentransformator 36 ab. Im Regelgrößentransformator 36 werden die Meßdaten der Sensoren 33 in die Regelgrößen transformiert. Diese werden als Istgrößen auf den Bahnregler 35 und auf den Identifikator 37 geschaltet. Gleichzeitig werden der Spurpunkt s und die gemessene Schiffslängsgeschwindigkeit vist(t) auf den Sollwertgeber 34 geschaltet.In 3 the device is shown, which realizes the inventive method with the blocks Sollbahngenerator 31 , Setpoint generator 34 , Train controller 35 , Control variable transformer 36 and identifier 37 , The nominal train generator 31 represents the interface to the operating personnel, converts the path specifications into the codes according to equation 1 and places them in a database 51 to access the setpoint generator 34 and control variable transformer 36 from. In the standard size transformer 36 become the measurement data of the sensors 33 transformed into the controlled variables. These are used as actual variables on the web controller 35 and on the identifier 37 connected. At the same time, the track point s and the measured ship's longitudinal speed v ist (t) to the setpoint generator 34 connected.

Ein Identifikator 37 sammelt in einem Puffer alle Meß- und Regelgrößen mit ausreichender Anregung, die für eine Parameterbestimmung des Schiffs- und Störmodells nötig sind. Unter Verwendung eines Schätzverfahrens können sowohl die Parameter eines einfachen Bahnmodells als auch die Parameter eines vereinfachten Störmodells ermittelt werden. Die Gesamtdrift kann aus den Meßwerten Geschwindigkeit vist(t) und Kurs über Grund (Bahnwinkel) Φist(t) sowie aus dem Bahnwinkel Φ und der Bahngeschwindigkeit v durchs Wasser, die sich durch Modellrechnung (Übertragungsfunktion nach Gleichung 5) aus den gemessenen Werten für die Ruderlage δist(t), die Längsgeschwindigkeit durch Wasser vWx(t) und dem Kompaßkurs ψist(t) ergeben, bestimmt werden. Durch Vektorsubtraktion von Bahn über Grund (Φist, vist) und Bahn durch das Wasser (Φ, v) wird der Driftvektor (Φd, vd) bestimmt (2). Zeitkonstanten-Bahnmodell:

Figure 00040001
An identifier 37 collects in a buffer all measured and controlled variables with sufficient excitation, which are necessary for a parameter determination of the ship and fault model. Using an estimation method, both the parameters of a simple orbit model and the parameters of a simplified glitch model can be determined. The total drift can be calculated from the measured values velocity v ist (t) and course over ground (path angle) Φ ist (t) as well as from the path angle Φ and the path velocity v through the water, which are characterized by model calculation (transfer function according to equation 5) measured values for the rudder position δ is (t), the longitudinal velocity by water v Wx (t) and the compass heading ψ is (t) result determined. By vector subtraction of trajectory over ground (Φ ist , v ist ) and trajectory through the water (Φ , v ) the drift vector (Φ d , v d ) is determined ( 2 ). Time constants train Model:
Figure 00040001

Störmodell:disturbance model:

  • ψkorr = Φist – Φ (6)ψ corr  = Φ is  - Φ (6)

Aus den Modellparametern des Schiffes lassen sich ausgehend von festgelegten Regelungskriterien die einzustellenden Parameter des Bahnreglers 35 bestimmen. Die Parameter des identifizierten Stör- und Schiffsmodells werden auf den Sollwertgeber 34 geschaltet. Der Identifikator 37 kann jedoch durch eine Adaptionseinrichtung auf der Grundlage einer Meßsensorik für Umwelt- und Schiffsgrößen ersetzt werden. Der Sollwertgeber 34 hat die Aufgabe, die spurpunktabhängigen Bahnvorgaben mit den Informationen von Regelgrößentransformator 36 und Identifikator 37 in die zeitabhängigen Führungsgrößen für den Bahnregler umzuwandeln. Im Bahnregler 35 werden nach dem Vergleich der Führungsgrößen mit den entsprechenden Istgrößen die Vorgaben für die Steuerorgane bestimmt und auf die entsprechenden Schnittstellen des Schiffes 32 geschaltet.From the model parameters of the ship, the parameters of the orbit controller to be set can be determined on the basis of defined control criteria 35 determine. The parameters of the identified disturbance and ship model are transferred to the setpoint generator 34 connected. The identifier 37 However, it can be replaced by an adaptation device based on a measuring sensors for environmental and ship sizes. The setpoint generator 34 The task is to track point-dependent path specifications with the information from the control variable transformer 36 and identifier 37 into the time-dependent reference variables for the web controller to convert. In the train controller 35 After the comparison of the reference variables with the corresponding actual values, the specifications for the control organs are determined and the corresponding interfaces of the ship 32 connected.

Nach 4 ist der Bahnregler als dreistufiger Kaskadenregler 4143 und einem parallelen Geschwindigkeitsregler 44 ausgelegt. Damit werden praktisch alle Bewegungszustände geregelt, so daß er auch als Zustandsregler ausgelegt werden kann. Der Kaskadenregler besteht aus einem PI-Bahnabstandsregler 41, einem untergeordneten PI-Kursregler 42 und einem PID-Drehratenregler 43. Er zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß neben einer Korrekturvorgabe durch den übergeordneten Regler eine Sollwertgröße durch den Sollwertgeber 34 aufgeschaltet wird. So werden sowohl Strom- und Winddrift am Kursregler als auch die Manöverträgheit des Schiffes am Drehratenregler kompensiert. Die Reglerparameter der Einzelregler lassen sich durch einen Identifikator 37 oder eine nicht dargestellte Adaptionseinrichtung geschwindigkeits- und beladungsabhängig einstellen. 5 zeigt den Sollwertgeber, der dazu dient, aus den spurpunktabhängigen Sollbahnparametern, die in der Datenbasis 51 abgelegt sind, die zeitabhängigen Sollwerte Solldrehrate rsoll(t), Sollkurs ψsoll(t), Sollbahnabweichung YBsoll(t) und Sollgeschwindigkeit vsoll(t) zu berechnen und auszugeben. Aus dem vom Regelgrößentransformator ausgegebenen aktuellen Spurpunktparameter sist wird unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit vist und des durch das Schiffsmodell festgelegten Zeitverhaltens im Vorhalteblock 52 ein um die Vorhaltestrecke 1 korrigierter Spurpunktparameter s* ermittelt, der die zugehörigen Sollbahnparameter aus der Sollbahndatenbasis 51 auswählt. Aus den spurpunktabhängigen Sollgrößen werden unter Berücksichtigung der gemessenen Geschwindigkeit vist(t) im Wandlerblock 53 die zeitabhängigen Größen bestimmt. Bekannte Verfahren betreffen die Ermittlung der Drehrate aus Bogenradius und Geschwindigkeit sowie die Bestimmung des zeitlichen Verlaufes des Kurses als Integral über die Drehrate. Die zeitabhängige Solldrehrate rsoll(t) wird als Sollwert für den Drehratenregler 43 ausgegeben. Gleichzeitig werden in einem Vorfilter 54, welches das Modell des Kurs- und Bahnregelkreises beinhaltet, die Sollwerte für den Kurs- und Bahnregler dynamisch derart bearbeitet, daß die einzelnen Regler 41, 42 der Reglerkaskade 4143 nicht gegeneinander arbeiten. Außerdem wird aus dem Bahnvektor, bestehend aus Bahnwinkel und Bahngeschwindigkeit, und dem Driftvektor als Störmodell unter Anwendung bekannter Verfahren der Vektoralgebra im Driftkorrekturblock 55 der Korrekturkurswinkel zur dynamischen Störgrößenkompensation ermittelt und nach Passieren eines Störgrößenvorfilters 56 zur Dynamikanpassung zum Sollkurs ψsoll(t) für den Kursregler 42 verknüpft. Diese Vorsteuerung bewirkt eine wesentliche Verbesserung der Bahnregelung auf krummlinigen Bahnen.To 4 is the web controller as a three-stage cascade controller 41 - 43 and a parallel speed controller 44 designed. Thus, virtually all states of motion are regulated, so that it can also be designed as a state controller. The cascade controller consists of a PI track distance controller 41 , a subordinate PI course controller 42 and a PID rate controller 43 , It is characterized in particular by the fact that in addition to a correction specification by the higher-level controller, a setpoint value by the setpoint generator 34 is switched on. Thus, both the current drift and wind drift on the course controller and the maneuvering inertia of the ship on the yaw rate controller are compensated. The controller parameters of the individual controllers can be defined by an identifier 37 or adjust an adaptation device, not shown, speed-dependent and load-dependent. 5 shows the setpoint generator, which serves, from the trackpoint dependent Sollbahnparametern, in the database 51 are stored, the time-dependent setpoints target rotation rate r soll (t), ψ is intended target course (t), the set path deviation Y Bsoll (t) and speed v Soll (t) to calculate and output. Is from the output from the controlled variable transformer current track point parameter s is taking into the speed v is and the timing defined by the ship model in the forecast block 52 one to the Vorhaltestrecke 1 corrected lane point parameter s *, which determines the associated desired lane parameters from the desired lane database 51 selects. From the track point-dependent desired variables, taking into account the measured speed v ist (t) in the converter block 53 determines the time-dependent quantities. Known methods relate to the determination of the rate of rotation of arc radius and speed and the determination of the time course of the course as an integral of the yaw rate. The time-dependent set rotation rate r soll (t) is used as the setpoint for the rotation rate controller 43 output. At the same time are in a pre-filter 54 , which contains the model of the course and orbit control loop, the setpoints for the course and track controller dynamically edited so that the individual controller 41 . 42 the regulator cascade 41 - 43 do not work against each other. In addition, from the trajectory vector, consisting of trajectory angle and trajectory velocity, and the drift vector as a clutter model, the vector algebra in the drift correction block is determined using known methods 55 the correction course angle is determined for dynamic disturbance compensation and after passing through a disturbance prefilter 56 for the dynamic adaptation to the target price ψ soll (t) for the price regulator 42 connected. This feedforward causes a significant improvement of the path control on curvilinear lanes.

3131
SollbahngeneratorDesired trajectory generator
3232
Schiff mit Ruder und Schraube (Regelstrecke mit Stellgliedern)ship with rudder and screw (controlled system with actuators)
3333
Sensoren (DGPS, Kreisel, Log, ggf. Inertialsensoren)sensors (DGPS, gyro, log, possibly inertial sensors)
3434
SollwertgeberSetpoint generator
3535
Bahnregler (Gesamtausführug)rail regulator (Gesamtausführug)
3636
RegelgrößentransformatorControlled variable transformer
3737
Identifikator für Schiffs- und Störmodellidentifier for ships and fault model
4141
BahnabstandsreglerStepover regulator
4242
Kursreglerrate regulator
4343
DrehratenreglerRotation rate regulator
4444
Geschwindigkeitsreglercruise control
5151
Datenbasis für Sollbahnparameterdatabase for nominal path parameters
5252
Vorhalteblock ManöverträgheitVorhalteblock maneuvers inertia
5353
Wandler für Reglersollgrößenconverter for controller setpoints
5454
Vorfilter für Kompensation der Schiffsdynamikprefilter for compensation the ship's dynamics
5555
DriftkorrekturblockDrift correction block
5656
Vorfilter für Störgrößenaufschaltungprefilter for feedforward control

Claims (3)

Verfahren zur Bahnführung eines Schiffes mit integriertem Bahnregler, bei dem die Bahn- und Regelvorgaben in einem Sollbahngenerator 31 spurpunktabhängig als φs = fi1(s), λs = fi2(s), Φs = fi3(s), Rs = fi4(s) und vs = fi5(s) kodiert werden, wobei der Spurpunktparameter s die Weglänge auf der Sollbahn, φs die zum Spurpunkt gehörende geografische Breite, λs die geografische Länge, Φs die Richtung der Sollbahntangente im Spurpunkt, R5 der Krümmungsradius am Spurpunkt und vs die dem Spurpunkt zugehörige Bahnlängsgeschwindigkeit darstellen, mit einem Regelgrößentransformator 36, der aus der Ist-Position (φist, λist) und dem Istkurs ψist des Schiffes sowie den Bahn- und Reglervorgaben den Spurpunkt s auf der Sollbahn nach der Vorschrift YB 2 = [φist – φs(s)]2 + [λist – λs(s)]2→ min berechnet und dass ein Sollwertgeber 34 die nichtlineare Führungsbahn in eine lineare Sollbahn umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die Messdaten im Regelgrößentransformator 36 durch Transformation in Polarkoordinaten und Filterung in die Istgrößen Schiffslängsgeschwindigkeit vist, Bahnabstand YBist, Kurs ψist und Kurswinkelgeschwindigkeit rist und andererseits die Parameter der nichtlinearen Sollbahn mit Hilfe des Spurpunktes s aus der Bahnvorgabe des Sollbahngenerators 31 im Sollwertgeber 34 durch Polarkoordinatentransformation in lineare Sollbahnparameter umgewandelt und diese als zeitabhängige Ist- und Sollgrößen dem Bahnregler 35 zugeführt werden.Method for web guidance of a ship with integrated railroad controller, in which the orbital and control specifications in a setpoint generator 31 track point dependent as φ s = f i1 (s), λ s = f i2 (s), φ s = f i3 (s), R s = f i4 (s) and v s = f i5 (s) are encoded, where the lane point parameter s is the path length on the desired lane, φ s is the geographical latitude belonging to the lane point, λ s is the geographical longitude, Φ s is the direction of the nominal lane tangent in the lane point, R 5 is the radius of curvature at the lane point and v s is the lane-longitudinal velocity associated with the lane point a controlled variable transformer 36 Which (is φ, λ is) from the actual position and the Istkurs ψ is of the vessel as well as the rail and regulator requirements the tracking point s on the set path according to the procedure Y B 2 = [is φ - φ s (s)] 2 + [λ is - λ s (s)] 2 → min calculated and that a setpoint generator 34 the non-linear guideway is converted into a linear desired path, characterized in that on the one hand the measured data in the control variable transformer 36 is by transformation into polar coordinates and filtering in the actual variables ship longitudinal speed v, track distance Y are, course is ψ and course angular velocity r is the other hand, the parameters of the nonlinear set path by means of the tracking point s of the path presetting of the nominal path generator 31 in the setpoint generator 34 converted by polar coordinate transformation into linear setpoint path parameters and these as time-dependent actual and setpoint variables to the path controller 35 be supplied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einem Bahnregler 35 in robuster oder adaptiver Ausführung die Führungsgröße der Kurswinkelgeschwindigkeit rsoll entsprechend eines identifizierten oder fest eingestellten Modells der Schiffsbewegung um einen Zeitbetrag T vorgehalten wird, der der Zeitverzögerung des Bahnverhaltens entspricht und dass der Führungsgröße des Kurses ein Korrektursignal zugeführt wird, das sich entsprechend der Gesamtdrift aus den Störgrößen Strom und Wind aus der Gleichung ψkorr = Φist – Φ bestimmt.A method according to claim 1, characterized in that a web controller 35 in a robust or adaptive design, the command value of the heading angular velocity r shall be held in accordance with an identified or fixed ship movement model by an amount T corresponding to the time delay of the path behavior and a correction signal is applied to the command value of the heading corresponding to the total drift the disturbance variables current and wind from the equation ψ korr = Φ is determined - Φ . Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentansprüchen 1 und 2, bestehend aus den Baugruppen Sollbahngenerator 31, Bahnregler 35, Regelgrößentransformator 36 und Sollwertgeber 34, der seinerseits einen robusten oder adaptiven Vorhalteblock 52 beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zur Kompensation der Manöverträgheit des Schiffes einen korrigierten Spurpunktparameter s* generiert, aus dem die Datenbasis 51 die spurpunktabhängigen Sollbahndaten Φ(s*), R(s*) und v(s*) für den Wandlerblock 53 bereitstellt, welcher seinerseits die Zwischengröße r(s*) unter Berücksichtigung der aktuellen Geschwindigkeit vs berechnet und auf das modellabhängige Vorfilter 54 leitet, so dass die einzelnen Teilregler des Bahnreglers nicht gegeneinander arbeiten sowie weiterhin dem Kurses ψsoll(t) ein zusätzliches Signal ψkorr zur Kompensation der Gesamtdrift aus Strom, Wind und Seegang aufgeschaltet wird.Device for carrying out the method according to claims 1 and 2, consisting of the construction groups of nominal train generators 31 , Train controller 35 , Control variable transformer 36 and setpoint generator 34 which, in turn, provides a robust or adaptive advancement block 52 includes, characterized in that this to compensate for maneuverability of the ship generates a corrected tracking point parameter s *, from which the database 51 the track point dependent desired trajectory data Φ (s *), R (s *) and v (s *) for the transducer block 53 which in turn calculates the intermediate quantity r (s *) taking into account the current velocity v s and the model-dependent pre-filter 54 so that the individual sub-controllers of the orbit controller do not work against each other and continue to the course ψ soll (t) an additional signal ψ korr is switched to compensate for the total drift of electricity, wind and sea state.
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